Когда Солнце перестанет светить?
Как и люди, звезды рождаются, стареют и умирают. В свои 4,6 миллиарда лет Солнце — звезда среднего возраста. Ученые полагают, что осталось Солнцу жить около 5-6 миллиардов лет. По мере старения из солнечного ядра будет постепенно исчезать водород. Процесс ядерного синтеза переместится ближе к поверхностным слоям. Но рано или поздно процесс синтеза ядер гелия из ядер атомов водорода прекратится. Гелиевое ядро несколько уменьшится в размерах и начнется новый процесс — гелиевый ядерный синтез.
Гелий, который был синтезирован миллиарды лет назад, начнет сжиматься, атомы гелия будут сближаться, пока, наконец, из них не начнут синтезироваться атомы углерода. Солнце будет продолжать светить. Но оно станет холоднее и больше по размерам. Температура поверхности Солнца с 5 500 градусов Цельсия, как сейчас, уменьшится до 3 200 градусов Цельсия. Увеличившееся в размерах и более холодное Солнце будет излучать красный свет. Такие стареющие звезды мы называем красными гигантами.
Интересно: в будущем Солнце увеличится в объеме и поглотит Меркурий и Венеру.
Солнце станет распухать до тех пор, пока не поглотит Меркурий и Венеру. Когда поверхность Солнца приблизится к Земле, температура на ней существенно поднимется. Океаны выкипят. И Земля станет скалистой сухой безжизненной планетой, наподобие нынешнего Меркурия. Тогда людям, видимо, придется подыскивать себе более подходящее место обитания.
Когда исчерпается весь гелий, начнется ядерный синтез с участием атомов углерода. Но ядерный синтез не может продолжаться вечно. Солнце постепенно потеряет от рассеяния в космосе остатки своей газовой оболочки и останется только горячее солнечное ядро. Из красного гиганта Солнце превратится в белого карлика, сморщившись, возможно, до размеров Земли. Белый карлик — это весьма плотное космическое тело, чайная ложка вещества белого карлика весит примерно тонну. Еще через миллионы лет белый карлик, бывшее Солнце, остынет и превратится в сгусток темного холодного пепла. Солнце станет черным карликом.
Звезды, превосходящие Солнце по размерам, заканчивают свой жизненный путь более причудливым способом. После того как исчерпываются запасы водорода и гелия, начинаются процессы синтеза кислорода из ядер атомов углерода. Когда сердцевина звезды становится чисто кислородной, начинается синтез неона из ядер кислорода. Из неона синтезируются другие элементы. Наконец, из таких элементов, как кремний, синтезируются ядра атомов железа. С течением времени железное ядро звезды сжимается, и вот тут – то может произойти грандиозный взрыв. Взорвавшаяся звезда, которая называется сверхновой, выплескивает в космическое пространство все свое содержимое.
Что станет с Солнцем дальше?
Стоит напомнить, что запасы водорода на Солнце ограничены. С течением времени состав нашего светила меняется. Если в начале своей истории Солнце состояло на 75 процентов из водорода и на 25 процентов из гелия, то теперь содержание водорода упало до 35 процентов. Как вы догадались, наступает момент, когда водород в недрах звезды исчезает. Как и всякое топливо, в конце концов, водород исчерпывается. Взять новый водород Солнцу негде. Ядро звезды теперь состоит из гелия. Ядро окружено тонкой водородной оболочкой. Водород оболочки продолжает превращаться в гелий, но звезда уже вступила в порядок упадка.
Как движется Солнце?
Еще со школьных лет нам известно, что Земля и другие планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца. Следовательно, логично предполагать, что само Солнце постоянно находится на одном и том же месте и совершенно не двигается. Но это далеко не так — оно тоже движется, причем с очень большой скоростью, но мы этого совершенно не замечаем, потому что движемся вместе с Солнцем и проходим вместе с ним очень долгий путь. Звучит сложно? Давайте разберем это явление чуть подробнее.
Примерное местоположение Солнца в галактике Млечный путь
Как мы знаем, Солнечная система расположена в одном из уголков спиралевидной галактики Млечный путь. В ней существует огромное количество других космических тел, которые вращаются вокруг центра Млечного пути. И Солнце в том числе, со скоростью около 217 километров в секунду. Этот показатель может показаться поистине сумасшедшим, но мы даже не замечаем этой скорости, потому что масштабы нашей галактики огромны и нам даже не понять всего ее величия. Один оборот вокруг центра галактики Солнце совершает за 250 миллионов лет, то есть за один галактический год.
Из чего состоит Солнце?
По своему химическому составу наше светило ничем не отличается от других звёзд и содержит: 74,5% – водорода (от массы), 24,6% – гелия, менее 1% – иных веществ (азот, кислород, углерод, никель, железо, кремний, хром, магний и другие вещества). Внутри ядра идут беспрерывные ядерные реакции превращающие водород в гелий. Абсолютное большинство массы Солнечной системы – 99,87% принадлежит Солнцу.
Состав Солнца
Интересный факт: Солнце имеет практически идеальную шарообразную форму. Разница в диаметрах, соединяющих противоположные точки экватора и полюсов, равна 10 километрам. И это при его гигантских размерах!
Пример образования Солнца
Чтобы наглядно показать, как это произошло, астроном Уильям Хартманн предложил простой опыт. Надо взболтать чашку кофе. Жидкость в чашке перемещается беспорядочно. Если капнуть в чашку немного молока, то частицы кофе начнут вращаться в одном направлении. Нечто подобное. Происходило и в облаке, в котором мало – помалу беспорядочное перемещение частиц заменялось их упорядоченным синхронным вращением, то есть облако начало целиком вращаться в одном направлении.
Жизненный цикл звезд
Ученые добавили к этой истории драматический поворот. Они считают, что при формировании облака недалеко от него взорвалась звезда. При этом мощные потоки вещества разлетелись в разные стороны. Часть этого вещества смешалась с веществом газопылевого облака нашей Солнечной системы. Это привело к еще более быстрому сжатию облака.
Чем больше сжималось облако, тем быстрее оно вращалось, как фигуристка, которая, вращаясь, прижимает руки к телу (и тоже начинает вращаться быстрее). Чем быстрее вращалось облако, тем сильнее изменялась его форма. В центре облако стало более выпуклым, так как там скопилось больше вещества. Периферическая часть облака осталась плоской. Скоро форма облака напоминала форму пиццы с шариком посередине. Этот шарик, да, вы правильно догадались, было наше дитя — Солнце. Скопление газа в середине «пиццы» по размерам превосходило современную величину всей Солнечной системы. Ученые называют новорожденное Солнце протозвездой.
Солнце в жизни Земли
Солнце и Земля настолько связаны друг с другом, что роль самой крупной звезды на небе трудно переоценить. Прежде всего, вокруг Солнца образовалась наша планета и появилась жизнь. Также энергия Солнца согревает Землю, луч Солнца освещает её, формируя климат, охлаждая её ночью, а после того, как Солнце всходит, снова согревает её. Что говорить, даже воздух с его помощью приобрёл свойства, необходимые для жизни (если не луч Солнца, он представлял бы собой жидкий океан из азота, окружающий глыбы льда и промёрзшую сушу).
Солнце и Луна, являясь крупнейшими объектами на небосводе, активно взаимодействуя друг с другом, не только освещают Землю, но и прямо влияют на движение нашей планеты – ярким примером этого действия являются приливы и отливы. На них воздействует Луна, Солнце в этом процессе находится на вторых ролях, но без его влияния тоже не обходится.
Солнце и Луна, Земля и Солнце, воздушные и водные потоки, окружающая нас биомасса, являются доступным, постоянно возобновляющимся энергетическим сырьём, который можно легко использовать (оно лежит на поверхности, его не нужно добывать из недр планеты, оно не образует радиоактивных и токсичных отходов).
Чтобы обратить внимание общественности на возможность использования возобновляемых источников энергии, с середины 90-х гг. прошлого столетия было принято решение отмечать Международный день Солнца
Таким образом, ежегодно, 3 мая, в день Солнца по всей территории Европы проводят семинары, выставки, конференции, направленные на то, чтобы показать людям, как можно использовать луч светила во благо, как определить время, когда происходит закат или рассвет Солнца.
Например, в день Солнца можно побывать на специальных мультимедийных программах, увидеть в телескоп огромные области магнитных возмущений и различные проявления солнечной активности. В день Солнца можно посмотреть на различные физические опыты и демонстрации, наглядно демонстрирующие, насколько мощным источником энергии является наше Светило. Нередко в День Солнца посетители получают возможность создать солнечные часы и проверить их в действии.
Состав и структура
Звезда наполнена водородом (74.9%) и гелием (23.8%). Среди более тяжелых элементов присутствуют кислород (1%), углерод (0.3%), неон (0.2%) и железо (0.2%). Внутренняя часть делится на слои: ядро, радиационная и конвективная зоны, фотосфера и атмосфера. Наибольшей плотностью (150 г/см3) наделено ядро и занимает 20-25% всего объема.
На оборот оси звезда тратит месяц, но это приблизительная оценка, потому что перед нами плазменный шар. Анализ показывает, что ядро вращается быстрее внешних слоев. Пока экваториальная линия тратит 25.4 дней на оборот, то у полюсов уходит 36 дней.
В ядре небесного тела формируется солнечная энергия из-за ядерного синтеза, трансформирующего водород в гелий. В нем создается почти 99% тепловой энергии.
Внутренняя структура Солнца. Радиационная зона охватывает 0.25-0.7 солнечного радиуса. Температура падает с отдалением от ядра. Здесь она сокращается от 7 млн. К до 2 млн. С плотностью происходит то же самое – от 20 г/см3 до 0.2 г/см3.
Между радиационной и конвективной зонами расположен переходный слой – тахолин. В нем заметно резкая перемена равномерного вращения радиационной зоны и дифференциальное вращение конвекционной, что вызывает серьезный сдвиг. Конвективная зона находится на 200000 км ниже поверхности, где температура и плотность также ниже.
Видимая поверхность именуется фотосферой. Над этим шаром свет может свободно распространяться в пространство, высвобождая солнечную энергию. В толщину охватывает сотни километров.
Верхняя часть фотосферы уступает по нагреву нижней. Температура поднимается к 5700 К, а плотность – 0.2 г/см3.
Атмосфера Солнца представлена тремя слоями: хромосфера, переходная часть и корона. Первая простирается на 2000 км. Переходная занимает 200 км и прогревается до 20000-100000 К. Четких границ у слоя нет, но заметен нимб с постоянным хаотичным движением. Корона прогревается до 8-20 млн. К, на что влияет солнечное магнитное поле.
Солнечная гелиосфера с кораблями Вояджер-1 и 2
Гелиосфера – магнитная сфера, простирающаяся за черту гелиопаузы (на 50 а.е. от звезды). Ее также называют солнечным ветром.
Расположение в галактике
Галактическое расположение Солнца
Солнце находится ближе к внутреннему краю рукава Ориона в Млечном Пути. Удаленность от галактического центра составляет 7.5-8.5 тысяч парсеков. Находится внутри локального пузыря – полость в межзвездной среде с раскаленным газом.
Солнечная система проживает в галактической жилой зоне. Эта территория наделена особыми характеристиками, способными поддерживать жизнь. Солнечное движение направлено к Веге на территории Лиры и под углом в 60 градусов от галактического центра. Среди ближайших 50 систем наше Солнце стоит на 40-м месте по массивности.
Полагают, что орбитальный путь эллиптический с присутствием возмущения от галактических спиральных рукавов. Тратит 225-250 млн. лет на один орбитальный пролет. Поэтому на сегодняшний момент выполнило лишь 20-25 орбит. Ниже можно рассмотреть карту поверхности Солнца. При желании воспользуйтесь нашими телескопами онлайн в режиме реального времени, чтобы полюбоваться звездой системы. Не забывайте отслеживать космическую погоду с указанием магнитных бурь и солнечных вспышек.
Интересные факты
Давайте изучим самые интересные факты о Солнца — единственной звезде Солнечной системы.
Если мы заполняем нашу звезду Солнце, то внутри поместится 960000 Земель. Но если их сжать и лишить свободного пространства, то количество увеличится до 1300000. Поверхностная площадь Солнца в 11990 раз больше земной.
По массе превосходит земную в 330000 раз. Примерно ¾ отведено на водород, а остальное – гелий.
Разница между экваториальным и полярным диаметрами Солнца составляет всего 10 км. А значит, перед нами одно из наиболее приближенных к сфере небесных тел.
В ядре Солнца такая температура возможна благодаря синтезу, где водород трансформируется в гелий. Обычно горячие объекты поддаются расширению, поэтому наша звезда могла бы взорваться, но удерживается мощной гравитацией. При этом температура поверхности Солнца равна «всего» 5780 °C.
Когда Солнце израсходует весь водородный запас (130 млн. лет), то перейдет к гелию. Это заставит ее увеличиваться в размерах и поглощать первые три планеты. Это этап красного гиганта.
После красного гиганта оно рухнет и оставит сжатую массу в шарике земного размера. Это стадия белого карлика.
Земля отдалена от Солнца на 150 млн. км. Скорость света – 300000 км/с, поэтому лучу требуется 8 минут и 20 секунд
Но важно также понимать, что ушли миллионы лет, прежде чем фотоны света перешли с солнечного ядра на поверхность
Солнце отдалено от галактического центра на 24000-26000 световых лет. Поэтому на орбитальный путь тратит 225-250 млн. лет.
Земля движется по эллиптическому орбитальному пути, поэтому удаленность составляет 147-152 млн. км (астрономическая единица).
Возраст Солнца – 4.5 млрд. лет, а значит оно уже сожгло примерно половину водородного запаса. Но процесс будет продолжаться еще 5 млрд. лет.
Солнечные вспышки выделяются в период магнитных бурь. Мы видим это в качестве формирования солнечных пятен, где скручиваются магнитные линии и вращаются словно земные торнадо.
Солнечный ветер представляет собою поток заряженных частичек, проходящих сквозь всю Солнечную систему на ускорении в 450 км/с. Ветер появляется там, где распространяется магнитное поле Солнца.
Само слово произошло от древнеаглийского, обозначающего «юг». Есть также готические и германские корни. До 700 года н.э. воскресенье называли «солнечный день». Свою роль сыграл и перевод. Изначальное греческое «heméra helíou» перешло в латинское «dies solis».
Атмосфера
Она устроена довольно сложно. Весь солнечный свет уходит в космос с ее нижнего уровня, который называют фотосферой. Основным источником света служит нижний слой фотосферы толщиной в 150 км. Толщина всей фотосферы составляет около 500 км. Вдоль этой вертикали температура плазмы снижается от 6400 до 4400 К.
В фотосфере постоянно возникают области пониженной (до 3700 К) температуры, которые светятся слабее и обнаруживаются в виде темных пятен. Количество солнечных пятен изменяется с периодом в 11 лет, но они никогда не покрывают больше 0,5% площади солнечного диска.
Над фотосферой расположен хромосферный слой, а еще выше — солнечная корона. О существовании короны известно с незапамятных времен, поскольку она превосходно видна во время полных солнечных затмений. Хромосферу же открыли сравнительно недавно, лишь в середине XIX века. 18 июля 1851 года сотни астрономов, собравшихся в Скандинавии и окрестных странах, наблюдали, как Луна закрывает солнечный диск. За несколько секунд до появления короны и перед самым концом полной фазы затмения ученые заметили у края диска светящийся красный полумесяц. Во время затмения 1860 года удалось не только лучше рассмотреть такие вспышки, но и получить их спектрограммы. Спустя девять лет английский астроном Норман Локьер назвал эту зону хромосферой.
Плотность хромосферы крайне мала даже по сравнению с фотосферой, всего 10−100 млрд частиц на 1 см³. Зато нагрета она сильнее — до 20 000˚С. В хромосфере постоянно наблюдаются темные вытянутые структуры — хромосферные волокна (их разновидность — всем известные протуберанцы). Они представляют собой сгустки более плотной и холодной плазмы, поднятой из фотосферы петлями магнитного поля. Видны и участки повышенной яркости — флоккулы. И наконец, в хромосфере постоянно появляются и через несколько минут исчезают продолговатые плазменные структуры — спикулы. Это своего рода путепроводы, по которым материя перетекает из фотосферы в корону.
День грядущий
От процессов в солнечных недрах непосредственно зависит грядущая судьба нашего светила. По мере уменьшения запасов водорода ядро постепенно сжимается и разогревается, что увеличивает светимость Солнца. С момента превращения в звезду главной последовательности она уже выросла на 25−30% — и этот процесс будет продолжаться. Примерно через 5 млрд лет температура ядра достигнет сотни миллионов градусов, и тогда в его центре загорится гелий (с образованием углерода и кислорода). На периферии в это время будет дожигаться водород, причем зона его сгорания несколько сдвинется по направлению к поверхности. Солнце потеряет гидростатическую устойчивость, его внешние слои сильно раздуются, и оно превратится в исполинское, но не особенно яркое светило — красный гигант. Светимость этого исполина на два порядка превысит нынешнюю светимость Солнца, но его жизненный срок будет много короче. В центре его ядра быстро накопится большое количество углерода и кислорода, которые вспыхнуть уже не смогут — не хватит температуры. Внешний гелиевый слой будет продолжать гореть, постепенно расширяясь и в силу этого охлаждаясь. Скорость термоядерного сгорания гелия чрезвычайно быстро растет с повышением температуры и падает с ее снижением. Поэтому внутренности красного гиганта начнут сильно пульсировать, и в конце концов дело может дойти до того, что его атмосфера окажется выброшенной в окружающий космос со скоростью в десятки километров в секунду. Сначала разлетающаяся звездная оболочка под действием ионизирующего ультрафиолетового излучения нижележащих звездных слоев ярко засияет голубым и зеленым светом — на этой стадии она называется планетарной туманностью. Но уже через тысячи или, в максимуме, десятки тысяч лет туманность остынет, потемнеет и рассеется в пространстве. Что касается ядра, то там превращение элементов прекратится вовсе, и оно будет светить лишь за счет накопленной тепловой энергии, все больше и больше остывая и угасая. Сжаться в нейтронную звезду или черную дыру оно не сможет, не хватит массы. Такие холодеющие остатки почивших в бозе звезд солнечного типа называют белыми карликами.
Корона — самая горячая часть атмосферы, ее температура достигает нескольких миллионов градусов. Этот нагрев можно объяснить с помощью нескольких моделей, базирующихся на принципах магнитной гидродинамики. К сожалению, все эти процессы очень сложны и изучены весьма слабо. Корона также насыщена разнообразными структурами — дырами, петлями, стримерами.
Расположение Солнца в галактике
Несмотря на свои огромные размеры относительно нашей планеты (да и других планет) в галактических масштабах Солнце далеко не самая большая звезда, а очень даже маленькая, есть звезды куда больше Солнца. Поэтому астрономы относят наше светило к классу желтых карликов.
Что же касается расположения Солнца в галактике (как впрочем, и всей нашей солнечной системы), то оно находится в галактике Млечный путь, ближе к краю рукава Ориона. Удаленность от центра галактики составляет 7.5-8.5 тысяч парсеков. Говоря простым языком, мы с вами не то, чтобы находимся на задворках галактики, но и от центра мы тоже сравнительно далеко – такой себе «спальный галактический район», не на окраине, но и не в центре.
Вот так выглядит расположение Солнца на галактической карте.
Единственная звезда Солнечной системы
Возможно, кое-кто удивится, узнав, что Солнце планетой не является. Солнце — это огромный, светящийся, состоящий из газов шар, внутри которого постоянно происходят термоядерные реакции, выделяющие энергию, дающую свет и тепло. Интересно, что подобной звезды в Солнечной системе не существует, а потому оно притягивает к себе все объекты более мелких размеров, оказавшиеся в зоне его гравитации, в результате чего они начинают вращаться вокруг Солнца по траектории.
Естественно, в космосе Солнечная система находится не сама по себе, а входит в состав Млечного пути, галактики, что являет собой огромную звёздную систему. От центра Млечного пути, Солнце отделяет 26 тыс. световых лет, поэтому движение Солнца вокруг него составляет один оборот за 200 млн. лет. А вот вокруг своей оси звезда оборачивается за месяц – и то, данные эти приблизительны: оно являет собой плазмовый шар, составные которого вращаются с разной скоростью, а потому трудно сказать, сколько именно времени уходит на полный оборот. Так, например, в районе экватора это происходит за 25 дней, у полюсов – на 11 дней больше.
Из всех известных на сегодняшний день звёзд, по яркости наше Светило находится на четвёртом месте (когда звезда проявляет солнечную активность, она светит ярче, чем когда спадает). Сам по себе этот огромный газообразный шар белого цвета, но из-за того, что наша атмосфера поглощает волны короткого спектра и луч Солнца у поверхности Земли рассеивается, свет Солнца становится желтоватого оттенка, а белый цвет можно увидеть разве что в ясный погожий день на фоне голубого неба.
Будучи единственной звездой Солнечной системы, Солнце также является единственным источником её света (не считая очень далёких звёзд). Несмотря на то, что Солнце и Луна на небе нашей планеты являются самыми крупными и яркими объектами, разница между ними огромная. Тогда как Солнце само излучает свет, спутник Земли, будучи абсолютно тёмным объектом, просто отражает его (можно сказать, что мы также видим Солнце ночью, когда на небе находится освещённая им Луна).
Светило Солнце – звезда молодая, её возраст, по оценкам учёных, составляет более четырёх с половиной миллиардов лет. А потому относится к звезде третьего поколения, которая была образована из остатков ранее существующих звёзд. Его по праву считают самым большим объектом Солнечной системы, поскольку его вес в 743 раза больше массы всех планет, вращающихся вокруг Солнца (наша планета в 333 тысяч раз легче Солнца и меньше его в 109 раз).
Как Солнце из газового шара превратилось в звезду?
Как Солнце из газового шара превратилось в звезду?
Это происходило очень и очень медленно, на протяжение тысяч и тысяч лет, пока протозвезда и окружающее ее облако продолжали сжиматься под действием сил гравитации. Атомы, составляющие облако, сталкивались, выделяя тепло. Температура облака росла, особенно в более плотном центре, там частота столкновений атомов была выше. Газ в протозвезде начал светиться. В недрах формирующегося Солнца температура постепенно росла до миллионов градусов.
При таких немыслимо высоких температурах и столь же высоком давлении нечто новое стало происходить со стиснутыми и прижатыми друг к другу атомами. Атомы водорода начали соединяться друг с другом, образуя атомы гелия. Каждый раз, когда водород превращался в гелий, освобождалось небольшое количество энергии — тепловой и световой. Так как этот процесс происходил всюду в ядре Солнца, то эта энергия залила светом всю Солнечную систему. Солнце включилось, как электрическая лампа гигантских размеров. С этого момента Солнце стало живой звездой, такой же, какие мы видим на ночном небосклоне.
